Поиск функциональных различий геномов

человека и шимпанзе, связанных с инсерционным мутагенезом мобильных элементов

Группа геномного анализа сигнальных систем клетки ИБХ РАН

Изменения генотипа и фенотипа идут рука об руку

Человек

Шимпанзе

Агрессия

Человек

Шимпанзе

Сознание

ИБХСтатистика генома человека

Длина ~3,2 млрд. п.о.Экзоны ~1.5%Гены (с интронами) ~35%Повторяющиеся последовательности >60%

Большая часть геномных повторов представлена мобильными элементами

Геномы человека и шимнанзе (каждый ~3·109 пн)идентичны приблизительнона 98.8 %

Из всего многообразия человек-специфичных последовательностей следует отбросить позиции,полиморфные в популяции Homo sapiens (около 20 млн пар оснований)

Основные цитогенетические отличия (150 млн п.н.):

-Человеческая хромосома 2 - продукт слияния двух предковых хромосом (у шимп. - хр 12 и 13)

-Перицентрические инверсии на хромосомах 1 и 18

-Массированные перестройки гетерохроматина

-Обмен ДНК в центромерных и теломерных районах хромосом

-Перестройки и транслокации некоторых генных семейств

-Протяжённые делеции, инверсии и дупликации (особенно Y)

Появление и инактивация генов:

-У человека инактивирован ген CMP для гидроксилазы сиаловой кислоты (единственное биохимическое различие чел. и шимп.)

-Потеря у человека значительного количества (около 200) генов обонятельных рецепторов

-Убыстренная эволюция кластеров генов, вовлечённых в работу иммунной системы (лейкоцитарные рецепторы)

-Человек-специфичный трансмембранный белок неизв. функции c1orf37-dup

-Человек-специфичная регуляторная (?) РНК HAR1F

(в эмбриональной новой коре).

Короткие нуклеотидные замены:

- Около 36 млн пн

- Многие затрагивают белок-кодирующие области

- Многие в регуляторных областях генов

- Учёные тонут в потоке информации

Специфичные мобильные элементы:

- Около 8000 внедрений (около 6 млн пн)

- L1 (1200 представителей)

- Alu (5500 копий)

- SVA (900 копий)

- Эндогенные ретровирусы (150 представителей)

МОБИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ:

1) Мишени для специфической рекомбинации

2) Предоставляют новые сайты сплайсинга

3) Содержат работающие промоторы и энхансеры

4) Предоставляют сигналы полиаденилирования

5) Трансдуцируют (переносят) уникальные последовательности ДНК

6) Создают псевдогены

Эндогенные РетроВирусы (ЭРВ)-

самая сложноорганизованная группа ретроэлементов.Обладают по крайней мере тремя функциональными генами и множеством регуляторных последовательностей, сосредоточенных в Длинных Концевых Повторах (англ. LTR), фланкирующих “тело” ЭРВ

Единственная активная до недавнего времени группа ЭРВ, имеющая человек-специфических

представителей– HERV-K (HML2)

Около 90% HERV-K существует в виде одиночных LTR

чсЭРВ HERV-K(HML2) формируют отдельный кластер на филогенетическом древе

<Скрининг геномных баз данных> HS семейство ~180 представителей, 85% из них – человек-специфичные

HS семейство человек-специфичных LTR: гомология ~98%

Buzdin et al.Genomics, 2003

Функциональная характеристика человек-специфичных ЭРВ:

Промоторная активность LTR

Kovalskaya et al. Virology., 2006

Картированиеточки старта транскрипции

Функциональная характеристика человек-специфичных ЭРВ:

Промоторная активность LTR

Полногеномный поискпромоторно-активныхчсЭРВ

Buzdin et al. NAR, 2006

GREM – Genomic RepeatExpressionMonitor

Buzdin et al. NAR, 2006

GREM and RT-PCR data:positive correlation

-Как минимум 50% всех чсЭРВ служат функциональными промоторами для транскрипции уникальной геномной ДНК хозяина

Buzdin et al. J.Virol., 2006

чсЭРВ транскрибируются на уровнях, сравнимых с экспрессией

известных генов человека

Buzdin et al. J.Virol., 2006

В целом, корреляция между промоторной активностью LTR и соседних генов отсутствует

LTR

LTR преимущественно фиксируются в геноме в ориентации, противоположной направлению транскрипции близлежащего гена.

Могут ли LTR, расположенные в интроне гена в противоположной направлению транскрипции гена ориентации, приводить к образованию антисмысловых РНК и участвовать в регуляции по механизму РНК-интерференции?

LTR

до 5 т. п. н.

Для анализа было отобрано 13 человек-специфических элементов

Только LTR в интроне гена SLB (selective LIM binding factor, rat homolog) и SLC (sodium bicarbonate cotransporter) служат промоторами для транскриптов, перекрывающихся с экзоном.

Изучение влияния человек-спецефических ретроэлементовHERV-K (HML-2) на транскрипцию близлежащих генов.

Экспрессия транскрипта 1 приводит к уменьшению количества РНК SLB в 2,6 раза

LTR экзон 6экзон 5

SLC

транскрипт 3

LTR экзон 24экзон 22 23

SLB

транскрипт 1транскрипт 2

Такие антисмысловые РНК транскрибируются во многих тканях:

Для исследования функциональной роли обнаруженных антисмысловых транскриптов были созданы стабильно трансфецированные клеточные линии

Данные для линии Tera 1:

=> первый известныйпример чел.-сп. антисмысловойрегуляции транскрипции геновЭволюционная роль?

Полногеномный скрининг энхансорной активности чсЭРВ: из 9 элементов, близко (до 5 тпн) расположенных к точке начала транскрипции генов, четыре являются существенными модуляторами активности промоторов соответствующих генов на модели клеточных культур

Выводы:-Человек-сп. ЭРВ работают in vivo как активные промоторы и энхансоры.-Это может делать их регуляторами соседних генов, через энхансерную активность или экспрессию антисмысловых РНК.-Выявлено 6 случаев влияния чсЭРВ на экспрессию функциональных генов-Гипотеза о вовлечённости чсЭРВ в процесс видообразования человека не может быть исключена.-Тысячи других человек-специфичных мобильных элементов ожидают анализа

ИБХ

Слева направо, сверху вниз – Е.В.Гогвадзе, Д.А. Гиляров, Т.В.Чалая, К.В.Ходосевич, C.В.Устюгова,

Е.В. Ковальская, И.З.Мамедов, M.H. Lebrun, Ю.Б.Лебедев, Е.Д. Свердлов

На разных этапах работа финансировалась грантами РФФИ, Президентской программой поддержки молодых учёных, программой поддержки научных школ,

российской программой "Геном человека", Программой по молекулярной и клеточной биологии РАН, грантами INTAS, Чешской Академии наук, FEBS и EMBO